Fachbereich Informatik
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Machine learning-based solutions are frequently adapted in several applications that require big data in operations. The performance of a model that is deployed into operations is subject to degradation due to unanticipated changes in the flow of input data. Hence, monitoring data drift becomes essential to maintain the model’s desired performance. Based on the conducted review of the literature on drift detection, statistical hypothesis testing enables to investigate whether incoming data is drifting from training data. Because Maximum Mean Discrepancy (MMD) and Kolmogorov-Smirnov (KS) have shown to be reliable distance measures between multivariate distributions in the literature review, both were selected from several existing techniques for experimentation. For the scope of this work, the image classification use case was experimented with using the Stream-51 dataset. Based on the results from different drift experiments, both MMD and KS showed high Area Under Curve values. However, KS exhibited faster performance than MMD with fewer false positives. Furthermore, the results showed that using the pre-trained ResNet-18 for feature extraction maintained the high performance of the experimented drift detectors. Furthermore, the results showed that the performance of the drift detectors highly depends on the sample sizes of the reference (training) data and the test data that flow into the pipeline’s monitor. Finally, the results also showed that if the test data is a mixture of drifting and non-drifting data, the performance of the drift detectors does not depend on how the drifting data are scattered with the non-drifting ones, but rather their amount in the test set
Estimation of Prediction Uncertainty for Semantic Scene Labeling Using Bayesian Approximation
(2018)
With the advancement in technology, autonomous and assisted driving are close to being reality. A key component of such systems is the understanding of the surrounding environment. This understanding about the environment can be attained by performing semantic labeling of the driving scenes. Existing deep learning based models have been developed over the years that outperform classical image processing algorithms for the task of semantic labeling. However, the existing models only produce semantic predictions and do not provide a measure of uncertainty about the predictions. Hence, this work focuses on developing a deep learning based semantic labeling model that can produce semantic predictions and their corresponding uncertainties. Autonomous driving needs a real-time operating model, however the Full Resolution Residual Network (FRRN) [4] architecture, which is found as the best performing architecture during literature search, is not able to satisfy this condition. Hence, a small network, similar to FRRN, has been developed and used in this work. Based on the work of [13], the developed network is then extended by adding dropout layers and the dropouts are used during testing to perform approximate Bayesian inference. The existing works on uncertainties, do not have quantitative metrics to evaluate the quality of uncertainties estimated by a model. Hence, the area under curve (AUC) of the receiver operating characteristic (ROC) curves is proposed and used as an evaluation metric in this work. Further, a comparative analysis about the influence of dropout layer position, drop probability and the number of samples, on the quality of uncertainty estimation is performed. Finally, based on the insights gained from the analysis, a model with optimal configuration of dropout is developed. It is then evaluated on the Cityscape dataset and shown to be outperforming the baseline model with an AUC-ROC of about 90%, while the latter having AUC-ROC of about 80%.
Objektrelationale Datenbanken und Rough Sets für die Analyse von Contextualized Attention Metadata
(2009)
Heutzutage ist die Entwicklung von Luft- und Raumfahrzeugen ein komplexer und standardisierter Prozess, der verschiedene Disziplinen der Wissenschaft und des Ingenieurwesens vereint. Die Kenntnis flugphysikalischer Eigenschaften, insbesondere Aerodynamik und Strömung, ist für den Entwurf von Luft- und Raumfahrzeugen unerlässlich. Um den Aufwand zur Berechnung dieser Eigenschaften zu verringern, wurden Methoden und Werkzeuge zur computergestützten Simulation entworfen. Diese werden in integrierten simulationsbasierten Entwicklungsprozessen zusammengefasst. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Zeitersparnisse von bis zu mehreren Jahren, gegenüber physikalischen Tests in Windkanälen, zu erzielen [Bec08].
Robots integrated into a social environment with humans need the ability to locate persons in their surrounding area. This is also the case for the WelcomeBot which is developed at the Fraunhofer Institute IAIS. In the future, the robot should follow persons in the buildings and guide them to certain areas. Therefore, it needs the capability to detect and track a person in the environment. In this master thesis, an approach for fast and reliable tracking of a person via a mobile robotic platform is presented. Based on the investigation of different methods and sensors, a laser scanner and a camera are selected as the primary two sensors.
In der Arbeit wurde ein Steuerungsframework für die LAMA-Bibliothek (http://www.libama.org) zur Konfiguration von Lösern linearer Gleichungssysteme entwickelt. Hierzu wurde ein Parser mit der Boost.Spirit-Biblithek realisiert, der die Laufzeitinterpretation einer domänenspezifische Sprache (DSL) erlaubt. Durch die Konfigurationssprache ist es möglich, Löser ohne Einschränkungen über ihre ID zu verknüpfen, diesen Lösern Logger und logisch verknüpfte Haltekriterien zuzuordnen.
Um eine Software fertigzustellen und dem Endkunden zu übergeben muss zunächst der Entwicklungsprozess durchschritten werden. Das zügige Durchlaufen dieses Entwicklungsprozesses ist besonders für den Endkunden von entscheidender Bedeutung, da die Wartezeit auf das Softwareprodukt für ihn reduziert wird. Problematisch könnte beispielsweise dabei ein modulares Vorgehen werden, wenn zunächst alle einzelnen Teilkomponenten eines Softwareproduktes entwickelt und diese daraufhin in einer anschließenden Phase, auch Integrationsphase genannt, zusammengefügt würden. Die Länge dieser Integrationsphase kann nur schwer vorausgesagt werden, so dass weder das Entwicklerteam noch der Endkunde wissen, wie lang die Fertigstellung des Produktes dauern wird. Dabei entsteht ein weiterer Nachteil. Da die Komponenten separat voneinander entwickelt werden, könnte es passieren, dass diese beim finalen Zusammenfügen nicht kompatibel sein und müssten, falls notwendig, angepasst werden. Die Folge wäre eine Verschwendung von personellen und somit auch finanziellen Ressourcen seitens des entwickelnden Unternehmens.
Ein wichtiges Themengebiet der Forschung ist die Beschleunigung von Berechnungen mittels Parallelisierung von Algorithmen. Grafikprozessoren, die für den General Purpose Computation on GPU’s (GPGPU) Betrieb geeignet sind, bieten eine aktuelle Möglichkeit der Parallelisierung. Anhand dieser Grafikkarten ist es möglich, die hohe Leistung der Grafikprozessoren zur Berechnung wissenschaftlicher Aufgabenstellungen zu nutzen. In dieser Arbeit wird ein Algorithmus zur Ausrichtung von Belichtungsreihen, die bei der High-Dynamic-Range (HDR) Fotografie genutzt werden, ausgewählt und auf der Grafikkartenarchitektur von NVIDIA parallelisiert.
Diese Arbeit soll sich mit dem Erstellen von High Dynamic Range Images beschäftigen und damit, es den Fotografen ein wenig leichter zu machen. Ein Algorithmus zum Entfernen von Bildartefakten wird ausgewählt und parallel unter Nutzung der NVIDIA CUDA API implementiert. Der dadurch erzielte Geschwindigkeitszuwachs macht dieses Verfahren tauglich für den Einsatz in Bildbearbeitungsprogrammen.
Segmentierung von 3D-Daten
(2011)
Die vorliegende Arbeit wird im Rahmen eines Projektes des Fraunhofer Instituts IAIS erstellt. Hier geht es um die Entwicklung eines neuen 3D-Laserscanners. Basierend auf diesem 3D-Laserscanner soll eine Sicherheits-Anwendung realisiert werden. Für eine Softwarekomponente - die Segmentierung von 3D-Daten - wird der Stand der Forschung untersucht und es werden drei Segmentierungs-Verfahren ausgewählt und implementiert. Der RANSAC-Algorithmus wird zur Detektion von Ebenen eingesetzt. In dieser Arbeit wird er um ein Abbruchkriterium erweitert, welches die Gesamtlaufzeit bei der Segmentierung von mehreren Ebenen verringert.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Segmentierung von Außenszenen und Terrain-Klassifkation entwickelt. Dazu werden 360 Grad-Laserscanner-Aufnahmen von Straßen, Gebäudefassaden und Waldwegen aufgenommen. Von diesen Aufnahmen werden verschiedene visuelle Repräsentationen in 2D erstellt. Dazu werden die Distanzinformationen und Winkelübergänge der Polarkoordinaten, die Remissionswerte und der Normalenvektor eingesetzt. Die Berechnung des Normalenvektors wird über ein modernes Verfahren mit einerniedrigen Laufzeit durchgeführt. Anschließend werden Oberflächeneigenschaften innerhalb einer Punktwolke analysiert und vier Klassen unterschieden: Untergrund, Vegetation, Hindernis und Himmel. Die Segmentierung und Klassifkation geschieht in einem Schritt. Dazuwird die Varianz auf den N ormalen über eine Filtermaske berechnet und ein Deskriptor erstellt. Der Deskriptor beinhaltet die Normalenvektoren und die Normalenvarianz fürdie x-, y- und z-Achse. Die Ergebnisse werden als Überblendung auf dem Remissionsbilddargestellt. Die Auswertung wird über eigens erstellte Ground-Truth-Daten vorgenommen. Dazu wird das Remissionsbild genutzt und der Ground-Truth mit verschiedenen Farben eingezeichnet. Die Klassifkationsergebnisse sind in Precision-Recall-Diagrammen dargestellt.
Nowadays perception is still an up-to-date scienti fic issue on a mobile robot system. This thesis introduces an approach on how to recognize objects, namely numbers, using a digital camera on a Volksbot robot. The robot used in this thesis has been specifi cally designed for the SICK robot day. The development of the vision algorithm was done in two stages: the region of interest detection and the actual number recognition. Diff erent algorithms had been tested and evaluated and the Canny edge detector with contour finding has been proven to be the best choice for the region of interest detection and the Tesseract OCR engine was the best decision for number recognition. To integrate the vision component on an existing robot system, ROS was used. This thesis also discusses the integration of the EPOS motor controller into ROS.
In the eld of accessing and visualization mobile sensors and their recorded data, di erent approaches were realized. The OGC1 Sensor observation Service supplies a standard to access these information, stored on servers. To be able to access these servers, an interface must be developed and implemented. The result should be a con gurable development framework for web-based GIS clients supporting the OGC sensor observation services. In particular the framework should allow continuous position updates of mobile sensors. Visualization features like charts, bounding boxes of sensors and data series should be included.
In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Aspekte zum gemeinsamen Arbeiten in gemeinsam genutzten virtuellen Umgebungen behandelt. Zum einen wurden verschiedene Verfahren vorgestellt, die eine gleichzeitige Betrachtung zweier unterschiedlicher Ansichten auf einer Projektionsfläche ermöglichen (Switchen, Picture in Picture und Splitscreen). Der Schwerpunkt bei diesem Teil der Arbeit lag bei dem Splitscreen, da er zwei gleichwertige verzerrungsfreie Bilder beider Ansichten erzeugt. Um die korrekte Perspektive zu erhalten, wird der Sichtkegel der Betrachter vertikal in der Mitte geteilt. Dadurch kann ein betrachtetes Objekt am Bildrand abgeschnitten werden, weshalb die Kamera der Betrachter neu auf dieses Objekt ausgerichtet werden muss. Hierdurch können unterschiedliche Transformationen für beide Anwender erfolgen, wodurch das kollaborative Arbeiten gestört wird. Der zweite Aspekt dieser Arbeit beschäftigte sich mit einem Kollisionsproblem, welches auftreten kann, wenn mehrereBenutzer gemeinsam einen schmalen Durchgang passieren. Die Darstellung der virtuellen Umgebung erfolgt im TwoView. Hier steht den Benutzern eine frei begehbare Fläche zur Verfügung, auf der ihre realen Positionen erfasst und in die virtuelle Umgebung übertragen werden. Das Beschreiten der virtuellen Umgebung erfolgt anhand von Wegen, deren Ablaufgeschwindigkeit von einem Benutzer gesteuert werden kann. Stehen die Personen zu weit auseinander, um durch einen Durchgang zu passen, muss mindestens einer durch eine Wand laufen. Um dieses Problem zu beheben, wurde eine Pfadkorrektur implementiert, die entweder die Betrachter auf einem sicheren Weg durch diesen Durchgang leitet oder den begangenen Weg anhält. Da sowohl bei der Darstellung zweier Ansichten als auch bei der Pfadkorrektur der gemeinsame Raum beeinträchtigt werden kann, wurde zuletzt ein empirischer Test zur Bewertung dieses Effekts durchgeführt.
Grid Infrastrukturen sind heute in der Lage, auch große Datenmengen verteilt zu verarbeiten. Ein Anwendungsgebiet, das davon profitiert, ist das Textmining. Es zeichnet sich vor allem durch die große Anzahl voneinander unabhängiger Teiljobs aus, in die eine Aufgabe zerlegt werden kann. Um die Gesamtlaufzeit bis zur Fertigstellung eines Textmininglaufes für einen großen Datenbestand zu optimieren, ist Load-Balancing unerlässlich. Dafür muss abgeschätzt werden, wie lange eine Ressource für die Lösung eines Teilproblems benötigt. Diese Abschätzungen beruhen auf den Aufzeichnungen vorangegangener Textminingverarbeitungen. Sind darüber noch keine Daten vorhanden, muss die Laufzeitvorhersage anhand der Leistungsfähigkeit der Hardware einer Ressource prognostiziert werden. Wir stellen in dieser Arbeit Methoden vor, mit denen die Laufzeit für Textmining-Applikationen mittels historischer Daten und Hardwareeigenschaften vorhergesagt werden kann. Dabei nutzen wir Methoden der Statistik und des maschinellen Lernens, um eine Prognose zu berechnen. Anschließend wird ein Dienst vorgestellt, der eine Laufzeitvorhersage im Grid anbietet. Er kann auch für andere Anwendungsgebiete als das Textmining eingesetzt werden und ist in der Lage, Informationen über die Laufzeiten von Jobs auf den Ressourcen abzurufen. Dazu nutzt er bereits vorhandene Dienste der Grid-Middleware und kann sich so dynamisch in bestehende Strukturen eingliedern.
In der Forschung und Entwicklung finden komplexe Prozesse zur Datenerzeugung, -verarbeitung, -analyse und -visualisierung statt. Oftmals sind an diesen Prozessen Partner aus verschiedenen Einrichtungen beteiligt. Um ihr gemeinsames Ziel zu erreichen, stellen sich die Partner gegenseitig Ressourcen, Daten und Applikationen zur Verfügung. Eine Plattform, die diese Form der Zusammenarbeit erleichtert, wird in der Einrichtung für Simulations- und Softwaretechnik (SISTEC) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mitentwickelt. Die komplexen Prozesse erfordern aber nicht nur, dass Ressourcen, Daten und Applikationen zur Verfügung stehen, sondern auch, dass diese sinnvoll miteinander verknüpft werden können. Die Verknüpfung mehrerer Applikationen zu einer neuen Applikation, sowie deren Ausführung mit bestimmten Eingabedaten kann durch ein Workflowsystem für die Anwender stark vereinfacht werden. Im Rahmen dieser Master-Thesis wird die erwähnte Plattform um ein solches Workflowsystem erweitert.
Grid services will form the base for future computational Grids. Web Services, have been extended to build Grid services. Grid Services are dened in the Open Grid Service Architecture (OGSA). The Globus Alliance has released a Web Service Resource Framework, which is still under development and which is still missing vital parts. One of them is a Concept that allows Grid-Service Requests to securely traverse Firewalls, and its realization. This Thesis aims at the development and realization of a detailed Concept for an Application Level Gateway for Grid services, based on an existing rough concept. This approach should enable a strict division between a local network and the Internet. The internet is considered as a untrusted site and the local network is considered as a trusted site. Grid resources are placed in the internet as well as in the local network. This means that the possibility to communicate through a Firewall is essential. Some further protocols like Grid Resource Allocation and Management (GRAM) and the Grid File Transfer Protocol (GridFTP) must be able to traverse the network borders securely as well, while no further actions must be taken from the user side. The German Federal Oce for Information Security (BSI) proposes a Firewall - Application Level Gateway (ALG) - Firewall solution to the German Aerospace Center (DLR) where this Thesis is written, as a principle approach. In this approach, the local network is divided from the Internet with two rewalls. Between those rewalls is a demilitarized zone (DMZ), where computers may be placed, which can be accessed from the Internet and from the local network. An ALG which is placed in this DMZ should represent the local Grid nodes to the Internet and it should act as a client to the local nodes. All Grid service requests must be directed to the ALG instead of the protected Grid nodes. The ALG then checks and validates the requests on the application level (OSI layer 7). Requests that pose no security threat and fulll certain criteria will then be forwarded to the local Grid nodes. The responses from the local Grid nodes are checked and validated by the ALG as well.
Data management is a challenge in both scientific and technical environments. Therefore researchers have developed a special interest in this field. Modern approaches (i.e. Subversion, CVS) already offer authoring and versioning in distributed systems. However this might be insufficient in a vast number of scenarios, where not only the data resulting from a process, but also data which describes the process that generated those results is crucial.
Neural network based object detectors are able to automatize many difficult, tedious tasks. However, they are usually slow and/or require powerful hardware. One main reason is called Batch Normalization (BN) [1], which is an important method for building these detectors. Recent studies present a potential replacement called Self-normalizing Neural Network (SNN) [2], which at its core is a special activation function named Scaled Exponential Linear Unit (SELU). This replacement seems to have most of BNs benefits while requiring less computational power. Nonetheless, it is uncertain that SELU and neural network based detectors are compatible with one another. An evaluation of SELU incorporated networks would help clarify that uncertainty. Such evaluation is performed through series of tests on different neural networks. After the evaluation, it is concluded that, while indeed faster, SELU is still not as good as BN for building complex object detector networks.
Today publications are digitally available which enables researchers to search the text and often also the content of tables. On the contrary, images cannot be searched which is not a problem for most fields, but in chemistry most of the information are contained in images, especially structure diagrams. Next to the "normal" chemical structures, which represent exactly one molecule, there also exist generic structures, so called Markush structures. These contain variable parts and additional textual information which enable them to represent several molecules at once. This can vary between just a few and up to thousands or even millions. This ability lead to a spread of Markush structures in patents, because it enables patents to protect entire families of molecules at once. Next to the prevention of an enumeration of all structures it also has the advantage that, if a Markush structure is used in a patent, it is much harder to determine whether a specific structure is protected by it or not. To solve the question about the protection of a structure, it is necessary to search the patents. Appropriate databases for this task already do exist, but are filled manually. An automatic processing does not yet exist. In this project a Markush structure reconstruction prototype is developed which is able to reconstruct bitmaps including Markush structures (meaning a depiction of the structure and a text part describing the generic parts) into a digital format and save them in the newly developed context-free grammar based file format extSMILES. This format is searchable due to its context-free grammar based design. To be able to develop a Markush structure reconstruction prototype, an in depth analysis of the concept of Markush structures and their requirements for a reconstruction process was performed. Thereby it is stated, that the common connection table concept of the existing file formats is not able to store Markush structures. Especially challenging are conditions for most of the formats. Thus, a context-free grammar based file format is developed, which extends the SMILES format. This extSMILES called format assures the searchability of the results by its context-free grammar based concept, and is able to store all information contained in Markush structures. In addition it is generic, extendable and easily understandable. The developed prototype for the Markush structure reconstruction uses extSMILES as output format and is based on the chemical structure recognition tool chemoCR and the Unstructured Information Management Architecture UIMA. For chemoCR modules are developed which enable it to recognize and assemble Markush structures as well as to return the reconstruction result in extSMILES. For UIMA on the other hand, a pipeline is developed, which is able to analyse and translate the input text files to extSMILES. The results of both tools then are combined and presented in chemoCR. An evaluation of the prototype is performed on a representative set of twelve structures of interest and low image quality which contain all typical Markush elements. Trivial structures containing only one R-group are not evaluated. Due to the challenging nature of the images, no Markush structure could be correctly reconstructed. But by regarding the assumption, that R-group definitions which are described by natural language are excluded from the task, and under the condition that the core structure reconstruction is improved, the rate of success can be increased to 58.4%.
This work extends the affordance-inspired robot control architecture introduced in the MACS project [35] and especially its approach to integrate symbolic planning systems given in [24] by providing methods to automated abstraction of affordances to high-level operators. It discusses how symbolic planning instances can be generated automatically based on these operators and introduces an instantiation method to execute the resulting plans. Preconditions and effects of agent behaviour are learned and represented in Gärdenfors conceptual spaces framework. Its notion of similarity is used to group behaviours to abstract operators based on the affordance-inspired, function-centred view on the environment. Ways on how the capabilities of conceptual spaces to map subsymbolic to symbolic representations to generate PDDL planning domains including affordance-based operators are discussed. During plan execution, affordance-based operators are instantiated by agent behaviour based on the situation directly before its execution. The current situation is compared to past ones and the behaviour that has been most successful in the past is applied. Execution failures can be repaired by action substitution. The concept of using contexts to dynamically change dimension salience as introduced by Gärdenfors is realized by using techniques from the field of feature selection. The approach is evaluated using a 3D simulation environment and implementations of several object manipulation behaviours.
Das WebDAV-Protokoll (Web-based Distributed Authoring and Versioning) ermöglicht die Bearbeitung und Verwaltung von Dateien auf einem Web-Server. Aus technischer Sicht ist WebDAV eine Erweiterung des HTTP-Protokolls. Durch die rasche Zunahme und den steigenden Verbreitungsgrad von WebDAV-basierten Anwendungen, wie etwa Dokumentenmanagementsystemen, steigen auch die Anforderungen an deren Zuverlässigkeit. Die voll umfassende Unterstützung von Transaktionen, d.h. die Zusammenfassung einer Menge von Verarbeitungsschritten zu einer logischen Einheit, würde hierzu einen wichtigen Beitrag leisten. Die für Transaktionen geforderten Eigenschaften, die gleichzeitig auch deren Hauptvorteile darstellen, werden durch das bekannte Akronym ACID beschrieben, welches für Atomarität (atomicity), Konsistenz (consistency), Isoliertheit (isolation) und Dauerhaftigkeit (durability) steht. Zurzeit unterstützt das WebDAV-Protokoll allerdings nur die Punkte Konsistenz und Dauerhaftigkeit, eine komplette und vor allem standardkonforme Unterstützung der ACID-Eigenschaften von Transaktionen ist nicht gegeben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nun ein Transaktionsmodell für den WebDAVStandard erarbeitet. Das Modell ermöglicht es, eine Menge von Dateioperationen transaktionsbasiert durchzuführen. Das Modell unterstützt dabei zur Sicherstellung der Serialisierbarkeit sowohl optimistische als auch pessimistische Verfahren. Die Unterstützung des optimistischen Verfahrens wurde dabei von der IETF (Internet Engineering Task Force) als zulässiges und sinnvolles Vorgehen zur Realisierung von Transaktionen mittels WebDAV bestätigt. Für die pessimistischen Verfahren wurde im Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt, wie die bestehenden Konzepte des WebDAV-Standards erweitert werden müssen, um dies ebenfalls umsetzen zu können. Um die getroffene Entwurfsentscheidung zu verifizieren, wurde eine prototypische Implementierung des Modells vorgenommen. Hierbei wurde, nach einer entsprechenden Evaluierung und Bewertung, die optimistische Nebenläufigkeitskontrolle umgesetzt. Clientseitig setzt die Implementierung auf der Jackrabit-Library auf, die serverseitige Implementierung verwendet als Grundlage den WebDAV-Server von Subversion.